Βελτιστοποίηση παραγωγής βιοντήζελ και επιπτώσεις στις εκπομπές οχημάτων

Abstract

The aim of this thesis is to offer an as complete and quantified as possible analysis regarding the investigation of various catalytic systems for biodiesel production, the effect of neat and blended biodiesel on the oxidation stability and the impact of biodiesel on the regulated and unregulated exhaust emissions from various passenger vehicles. During the first course of this study, several alkaline and acidic homogeneous catalysts were employed in order to identify the appropriate catalytic system for biodiesel production. Special consideration was placed on the use of amine-based catalysts for biodiesel production due to the fact that they present high catalytic activity. The experimental results, led to the conclusion that this technology reduces the separation and purifications steps downstream when compared to the conventional technology. This alternative way to process vegetable oils under mild reaction conditions can produce alkaline metals free methyl esters and glycerol. The second part of this study included the investigation of various heterogeneous catalysts loaded with different compounds for the transesterification of vegetable oils. It was found that these catalysts were easily recovered from the products at the end of the reaction and produce no soaps. It was determined that with the reusability of some of these catalysts, achieved high conversion rates. Finally, it was found a strong relationship between the concentration of the supported and the calcination temperature with methyl ester conversion. The third objective of this study emphasized on the oxidation stability of biodiesel and its blends with conventional diesel fuel. It was found that the stability of the biodiesel blends is a very complex process that is affected by a variety of factors, including the composition of biodiesel, the presence of antioxidant additives, and its stage of oxidation. In general, the stability of the biodiesel component is reflected on the stability of its blends with diesel fuel. Moreover, a strong correlation between biodiesel concentration and blend stability was observed. Increasing biodiesel concentration results in lower stability. Additionally, the stability of the blends may also be affected by certain characteristics of the diesel fuel. Higher refining to lower sulphur in the base diesel decreases oxidation stability of the final blend. The final objective of this research was to determine the effects of biodiesel on the exhaust emissions from different vehicles. It was determined that most of the regulated and unregulated emissions were dependent on the driving conditions and the biodiesel source material and quality. It was found that NOx emissions seemed to be influenced by the degree of unsaturation of biodiesel. The cold-start effect was found to be strong enough in order to significantly increase most of the emissions studied. Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs) and carbonyl emissions negatively impacted by the presence of the oxidized biodiesel blends. It was also observed that the unregulated pollutants were impacted by the chemical composition of the biodiesel used.

Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια όσο το δυνατό ολοκληρωμένη μελέτη αναφορικά με την παραγωγή βιοντήζελ, την εξέταση και βελτιστοποίηση της κρίσιμης παραμέτρου της οξειδωτικής σταθερότητας και την αποτίμηση των περιβαλλοντικών του επιπτώσεων σε πετρελαιοκίνητα οχήματα νέας τεχνολογίας. Κατά τον πρώτο κλάδο μελέτης της διατριβής, επιλέχθηκε ένα πλήθος αλκαλικών και όξινων ομογενών καταλυτών με σκοπό την διερεύνηση του βέλτιστου καταλυτικού συστήματος για την παραγωγή βιοντήζελ. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στις αζωτούχες ενώσεις, καθώς διαπιστώθηκε ότι παρουσιάζουν εξαιρετική καταλυτική δράση ακόμα και σε προβληματικής ποιότητας πρώτες ύλες, όπως αυτές των χρησιμοποιημένων μαγειρικών ελαίων. Η πρόταση του συγκεκριμένου καταλυτικού συστήματος, οδηγεί στη διαπίστωση ότι η παραγωγή βιοντήζελ είναι εφικτό να πραγματοποιηθεί σε λιγότερα στάδια από όσα περιλαμβάνονται στις παραδοσιακές τεχνολογίες και κατ επέκταση σε χαμηλότερο κόστος. Η δεύτερη σειρά πειραματικών δοκιμών σχεδιάστηκε να συμπεριλάβει την μελέτη της καταλυτικής συμπεριφοράς στερεών ετερογενών καταλυτών και εμποτισμένων στερεών καταλυτών με διάφορους ενισχυτές. Η χρήση στερεών καταλυτών απλοποιεί την διαδικασία της μετεστεροποίησης, με την εξάλειψη των σταδίων πλύσης και ξήρανσης των μεθυλεστέρων. Με την εξέταση των εμποτισμένων καταλυτών διαπιστώθηκε ισχυρή συσχέτιση μεταξύ της συγκέντρωσης του ενισχυτή και της θερμοκρασία πύρωσης με την μετατροπή των τριγλυκεριδίων σε μεθυλεστέρες. Η τρίτη σειρά πειραμάτων επικεντρώθηκε στην μελέτη της οξειδωτικής σταθερότητας του βιοντήζελ και των μιγμάτων του με πετρελαϊκό ντήζελ. Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν σε μίγματα πετρελαίου με διαφορετικές συγκεντρώσεις σε βιοντήζελ έδειξαν ότι η οξειδωτική σταθερότητα του τελικού μίγματος εξαρτάται από το ποσοστό του βιοντήζελ, από την ύπαρξη αντιοξειδωτικού προσθέτου, από την χημική σύσταση και από το στάδιο γήρανσης του βιοντήζελ. Πολύ σημαντικό ρόλο στην οξειδωτική συμπεριφορά του μίγματος κατείχαν και τα χαρακτηριστικά του πετρελαίου αναφοράς. Η τελευταία εργασία αυτής της διατριβής εξέτασε τα περιβαλλοντικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά του βιοντήζελ σε πετρελαιοκίνητα οχήματα. Οι πειραματικές μετρήσεις έδειξαν πως η χρήση χαμηλών μιγμάτων βιοντήζελ δεν παρουσιάζει σημαντικές επιπτώσεις στη λειτουργία και τις εκπομπές των υπό δοκιμή οχημάτων. Εντούτοις, τα μίγματα βιοντήζελ άνω του 20 % κ.ό. οδήγησαν τις περισσότερες φορές σε εμφανείς μεταβολές σε σχέση με τα καύσιμο αναφοράς. Οι μη-νομοθετημένοι ρύποι φάνηκε να επηρεάζονται σημαντικά από την συγκέντρωση του βιοντήζελ στο τελικό μίγμα, από την σύσταση του βιοντήζελ, την πρώτη ύλη προέλευσης και την ποιότητα του, καθώς και από τις συνθήκες οδήγησης που εφαρμόστηκαν. Κατά την εκπόνηση αυτής της εργασίας εξήχθησαν χρήσιμα συμπεράσματα όσον αφορά την συσχέτιση του βαθμού ακορεστότητας του βιοντήζελ με τις εκπομπές οξειδίων του αζώτου, τις εκπομπές καρβονυλικών ενώσεων και τις εκπομπές πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων (ΡΑΗ). Γενικότερα, οι πληροφορίες που εξήχθησαν από τα πειραματικά δεδομένα, έδειξαν πως η χρήση του βιοντήζελ επηρεάζει μάλλον αρνητικά τον σχηματισμό τοξικών και καρκινογόνων ρύπων. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα μίγματα των οξειδωμένων βιοντήζελ παρουσίασαν συστηματική αρνητική επίδραση στους μη-νομοθετημένους ρύπους των καρβονυλικών ενώσεων και ΡΑΗ.